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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage, insbesondere
für Kraftfahrzeuge, und
auf ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Gegenwärtig verwenden
Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge
fast ausschließlich
das sogenannte Kaltdampfkompressionsverfahren mit Tetrafluorethan
(R134a) als Kühlmittel.
Das Kühlmittel
zirkuliert durch ein System, das unter anderem einen Verdampfer,
einen Kompressor, einen Kondensator und ein Expansionsventil umfasst.
Im Expansionsventil findet eine Drosselung des Kühlmittels mit konstanter Enthalpie
statt. Eine isentropische, ideale Expansion kann nur mit einer Expansionsmaschine
erreicht werden, aber solche Maschinen wurden bislang in Kraftfahrzeugklimaanlagen
nicht verwendet. Dafür
gibt es mehrere Gründe.
Vor allem war die Energieverbesserung, die durch Expansionsmaschinen
erzielt werden konnte, relativ gering und stand in keinem Verhältnis zu
den Kosten, die im Vergleich mit einem einfachen Expansionsventil
oder einer Drossel auftraten.
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In
der
DE 26 36 024 ist
eine Klimaanlage für ein
Wohngebäude
offenbart, welche unter anderem Luft als Kühlmittel verwendet und einen
Zahnradmechanismus als Expansionsmaschine aufweist. Jedoch sieht
sie die Verwendung von CO
2 nicht vor und versetzt
das Kühlmittel
nicht in einen Nassdampfzustand.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimaanlage bereitzustellen,
die gegenüber herkömmlichen
Klimaanlagen eine verbesserte Leistung aufweist und gleichzeitig
einen Aufbau hat, der nur etwas verfeinerter und teuerer ist als
der dieser herkömmlichen
Anlagen. Eine zusätzliche
Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage zu offenbaren,
welches gegenüber
den Verfahren aus dem Stand der Technik eine verbesserte Leistung
bereitstellt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Nach
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Klimaanlage
bereitgestellt, welche unter Verwendung eines Kühlzyklus arbeitet, bei dem
Kühlmittel
in einen Nassdampfzustand versetzt wird, und welche mindestens einen
Kompressor; und mindestens eine Expansionsmaschine in Form eines Zahnradmechanismus
umfasst, wobei die Zahnräder des
Zahnradmechanismus schräg
angeordnete Zähne
haben.
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Das
Problem, eine Klimaanlage bereitzustellen, die gegenüber dem
Stand der Technik eine verbesserte Leistung hat, wird somit erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass ein Zahnradmechanismus mit schräg gezahnten Zahnrädern als
Expansionsmaschine in den Kühlzyklus
integriert wird, und indem das Kühlmittel
in der Expansionsmaschine zumindest teilweise in einen Nassdampfzustand
versetzt wird. Das Kühlmittel
wird von einem hohen zu einem niedrigen Druckpegel expandiert.
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Der
Zahnradmechanismus, der beispielsweise eine Zahnradpumpe sein kann,
arbeitet für
gewöhnlich
mit zwei parallelen Zahnrädern,
die ineinander eingreifen. Die Verwendung eines Zahnradmechanismus
zur Expansion des Kühlmittels
ermöglicht per
se nicht den Arbeitsschritt, das sich verändernde Volumen zurückzugewinnen.
Jedoch stellt die Verwendung eines Zahnradmechanismus mit schräg gezahnten
Zahnrädern
sicher, dass das in den Zahnradmechanismus eintretende Gas expandieren
kann, wobei der Volumenänderungsarbeitsschritt
stattfindet. Ein Zahnradmechanismus zeichnet sich darüber hinaus
durch einen einfachen, robusten Aufbau und einen äußerst glatten
Lauf aus.
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Die
Expansionsmaschine hält
die Temperatur des Ansauggases niedrig, was vom Energiestandpunkt
her vorteilhaft ist und das Kompressor- und Kühlöl einer weniger starken Wärmebelastung aussetzt.
In manchen Fällen
kann vollkommen ohne internen Wärmeaustauscher
ausgekommen werden, weil die Expansionsmaschine eine ausreichende Senkung
der Enthalpie erzielt.
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Vorzugsweise
ist das Kühlmittel
Kohlendioxid, welches bei der Zirkulation, z. B. wenn es in Kraftfahrzeugklimaanlagen
verwendet wird, während der
Expansion zumindest vorübergehend
und in Abhängigkeit
von der Umgebungstemperatur aus einem superkritischen Zustand in
einen Nassdampfzustand umgesetzt wird. Diese Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Klimaanlage
ist von besonderer Bedeutung. Die Kombination aus Kohlendioxid und
dem Einsatz eines Zahnradmechanismus mit schräg gezahnten Zahnrädern erbringt
größere Vorteile.
Mit Kohlendioxid als Kühlmittel
anstelle des bislang verwendeten Tetrafluorethans, kann eine Expansionsmaschine
größere Energieverbesserungen
und einen Zuwachs bei der Kühlleistung
erzielen. Die erfindungsgemäße Klimaanlage
kann somit in einer bevorzugten Ausführungsform in einem transkritischen oder
einem subkritischen Prozessmodus arbeiten, je nach der Temperatur
des Kühlkörpers, d.
h. der Umgebungstemperatur beim Klimatisierungsbetrieb oder der
Rauminnentemperatur beim Wärmepumpenbetrieb.
Da Kohlendioxid bei ca. 31°C
einen kritischen Punkt hat, können
die Betriebsbedingungen so sein, das der Kühlzyklus im transkritischen
Bereich mit einer Expansion aus dem superkritischen in den Nassdampfzustand,
oder im subkritischen Bereich, in dem das Kühlmittel aus einem flüssigen in eine
nassdampfartigen Zustand umgesetzt werden kann, abläuft.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform sind
der Zahnradmechanismus und der Kompressor derart miteinander verbunden,
dass Energie, die während
des Expansionsprozesses frei wird, zumindest teilweise zum Komprimieren
des Kühlmittels
genutzt wird, wodurch das Kompressorstellglied kleinere Abmessungen
haben kann. Die Kosten der Expansionsmaschine lassen sich somit
zumindest teilweise wettmachen.
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Der
Zahnradmechanismus umfasst vorzugsweise mindestens einen Einlass
für ein
zufließendes Kühlmittel,
welcher in einen Spalt zwischen den Zahnradzähnen mündet, wenn sich die Zahnräder drehen.
Und zwar wird der Zahnspalt bei fortschreitender Bewegung der Zahnräder größer, und
das Gas kann, nachdem es über
den Rand des Einlasses hinaus geflossen ist, expandieren, wobei
der Volumenänderungsarbeitsschritt
stattfindet.
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Vorzugsweise
ist der Einlass, in der radialen Richtung gesehen, hinsichtlich
der Breite der Zahnräder
außermittig
und nach der bevorzugten Ausführungsform
sogar an einem axialen Ende der Zahnräder angeordnet, so dass die
volle Breite der Zahnräder
für die
Vergrößerung des
Zahnspalts zur Verfügung
steht. Somit wird die maximale Volumenänderung des Zahnspalts ausgenutzt.
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Der
Auslass des Zahnradmechanismus ist vorzugsweise am anderen axialen
Ende der Zahnräder
und zwar an dem Ende angeordnet, das dem Einlass entgegengesetzt
ist.
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Aufgrund
der schrägen
Zahnanordnung müssen
axiale Kräfte
von der Zahnradlagerung aufgenommen werden; deshalb sind in einer
Ausführungsform
der Erfindung mehrere schräg
gezahnte Zahnräder
vorgesehen. Die Zähne
dieser Zahnräder sind
in entgegengesetzte Richtungen geneigt, so dass die axialen Kräfte einander
teilweise oder vollständig
kompensieren.
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Die
Expansionsmaschine kann auch mit einer Elektromaschine gekoppelt
sein. In diesem Fall ist vorzugsweise ein hermetischer Aufbau anzustreben;
d. h., beide Maschinen sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet,
aus dem keine Wellen oder dergleichen vorspringen, so dass keine Wellendichtungen
nötig sind.
Mit der Elektromaschine kann im geregelten Generatorbetrieb oder
aufgrund der Reibungsenergie auch im Rücktriebbetrieb eine gute Regelung
der Expansion und von daher aller Prozessparameter erzielt werden.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Betrieb einer Klimaanlage vorgesehen, das die Schritte umfasst: Integrieren
einer Expansionsmaschine in Form eines Zahnradmechanismus mit schräg gezahnten
Zahnrädern
in einen Kühlzyklus;
und Anordnen, dass innerhalb der Expansionsmaschine ein Kühlmittel
zumindest teilweise in einen Nassdampfzustand versetzt wird.
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Vorzugsweise
umfasst das Kühlmittel
Kohlendioxid, welches in der Expansionsmaschine je nach der Umgebungstemperatur
in einen Nassdampfzustand versetzt werden kann.
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Die
verschiedenen Aspekte der Erfindung werden nun beispielhaft mit
Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist ein Schema, das den
Kühlzyklus
einer Expansionsmaschine zeigt, die einen Teil einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Klimaanlage
bildet;
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Die 2a und 2b sind jeweils schematische Quer- und
Längsschnitte
der Expansionsmaschine;
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3 ist ein Druck-Enthalpiediagramm
einer Klimaanlage nach dem ersten Aspekt der Erfindung, wenn sie
sich in einem subkritischen Prozessmodus befindet;
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4 ist ein Druck-Enthalpiediagramm ähnlich dem
in 3 gezeigten, aber
wenn sich die Klimaanlage in einem transkritischen Prozessmodus befindet;
und
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5 ist ein schematischer
Längsschnitt
einer zweiten Ausführungsform
einer Expansionsmaschine, die in einer Klimaanlage nach dem ersten
Aspekt der Erfindung verwendet werden kann.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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In 1 ist eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug
durch ihren Kühlzyklus
dargestellt. Das Kühlmittel
ist hier Kohlendioxid, das auf einen superkritischen Druck gebracht
werden kann. In der Fließrichtung
vorgehend, umfasst das Zirkulationssystem einen Kompressor 10,
einen Gaskondensator 12, einen Zahnradmechanismus 14,
welcher eine Expansionsmaschine bildet, und einen Verdampfer 16.
Diese Elemente sind über
Rohrleitungen miteinander verbunden.
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Der
Zahnradmechanismus 14, wie er in den 2a und 2b gezeigt
ist, umfasst zwei Zahnräder 20, 22,
die parallel angeordnet sind und schräg angeordnete Zähne aufweisen,
deren Anordnung durch die beiden beispielhaften Zähne 24 und 26 gezeigt ist.
Ein Einlass 28 ist genau zwischen den beiden Zahnrädern und
so angeordnet, dass er, in der radialen Richtung gesehen, hinsichtlich
der Breite der Zahnräder
außermittig
angeordnet ist. Genauer ausgedrückt
ist der Einlass 28 an einem axialen Ende der Zahnräder 20, 22 angeordnet.
Ein Auslass 30 ist am axialen Ende 32 der Zahnräder 20, 22 so
angeordnet, dass er der Einlassöffnung 28 entgegengesetzt
ist, wobei er sowohl am anderen axialen Ende der Zahnräder als
auch auf der entgegengesetzten Seite des Gehäuses 34 des Zahnradmechanismus angeordnet
ist. Die Drehung des Zahnrads 20 und die Fließrichtung
des Kühlmittels
ist durch Pfeile angegeben.
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Das
Kühlmittel,
welches durch den Einlass 28 in den Zahnradmechanismus 34 einfließt, tritt
in einen sich nach und nach öffnenden
Zahnspalt ein, der durch benachbarte Zähne 24, 26 gebildet
ist, die ineinander eingreifen. Der Zahnspalt öffnet sich beim Drehen der
Zahnräder 20, 22,
wenn das einfließende Gas
denjenigen Bereich des Randes des Einlasses 28 passiert,
der sich näher
am axialen Ende 32 befindet.
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Wenn
sich das Zahnrad weiter dreht, bewegt sich das Gas zum axialen Ende 32 hin
und kann durch den Auslass 30 ausfließen. Wurde bislang nur der
Prozess innerhalb der Expansionsmaschine beschrieben, wird in der
folgenden Beschreibung der Betrieb der ganzen Klimaanlage mit Bezug
auf 3 für den Betrieb,
wenn sie sich in einem subkritischen Prozess befindet, und mit Bezug
auf 4 für den Betrieb,
wenn sie sich in einem transkritischen Zustand befindet, erklärt.
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Wie
in 3 gezeigt ist, wird
im Kompressor 10 das Kohlendioxid von Punkt 1 zu
Punkt 2 durch Beaufschlagung mit einer Energie Wv komprimiert; von Punkt 2 zu Punkt 3 wird
es verflüssigt
oder im Kondensator 12 unter isobarischen Bedingungen und
unter Freisetzung einer Energie Qc zum Übergangspunkt
zwischen flüssig
und Nassdampf gebracht; von Punkt 3 zu Punkt 4 wird
es in den Nassdampfbereich in der Expansionsmaschine dekomprimiert,
wobei eine Energie Wex frei wird; und schließlich wird
es im Verdampfer 16 mit der Energieaufnahme Q, von Punkt 4 zu
Punkt 1 vollständig
in den Dampfzustand umgesetzt. Der Energiegewinn, der durch die
erfindungsgemäße Klimaanlage
im Vergleich mit demjenigen, der mit einem Expansionsventil bereitgestellt
wird, erzielt werden kann, ist wie folgt klar aus 3 ersichtlich. Die unterbrochene Linie 5 stellt
die Expansion mit konstanter Enthalpie dar, die das Kühlmittel
in einem Expansionsventil während
des Übergangs
von Punkt 3 zu Punkt 4' durchläuft. In diesem Fall stellt
die Zirkulation bis zu diesem Punkt keinen zusätzlichen Energiebetrag WEx, bereit, der, falls verfügbar, beispielsweise
zum Antreiben des Kompressors 10 verwendet werden kann.
Ein wichtiger Faktor ist, dass, wenn eine Expansion im Zahnradmechanismus
stattfindet, die Volumenänderungsarbeit
auch wieder rückgewonnen werden
kann.
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Der
Betrieb der erfindungsgemäßen Klimaanlage
kommt deutlich näher
an den idealen zyklischen Prozess heran, der durch die Linie 6 dargestellt
ist, welcher durch eine isentropische Expansion von Punkt 3 zu
Punkt 4'' gekennzeichnet
ist.
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Die
Expansionsmaschine ist mechanisch oder vorzugsweise auch elektrisch
mit dem Kompressor 10 gekoppelt. Die elektrische Kopplung
kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Expansionsmaschine
mit einer Elektromaschine gekoppelt wird und beide in einem gemeinsamen
Gehäuse untergebracht
sind. Mittels der Elektromaschine kann in geregeltem Generator- oder Rücktriebbetrieb
eine gute Regelung der Expansion erzielt werden. Es besteht keine
Notwendigkeit, dass eine Welle aus dem gemeinsamen Gehäuse, z.
B. zum Kompressor vorspringt; statt dessen wird die erhaltene elektrische Energie
zum Kompressor geleitet oder beispielsweise in das elektrische System
des Fahrzeugs eingespeist. In 3 ist
auch zu sehen, dass mit der erfindungsgemäßen Klimaanlage der Energieverbrauch Wv im Kompressor 10 nicht anders
ist als er im vorher angewandten Prozess war, wohingegen die nutzbare Kühlenergie
Q0 um den Betrag WEx erhöht ist.
Die Energiewerte, die im Druck-Enthalpiediagramm dargestellt sind,
sind spezifische Energiewerte.
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Die
erfindungsgemäße Klimaanlage
wird oftmals nicht in einem subkritischen Prozessmodus arbeiten,
sondern auch in einem transkritischen, wie im Diagramm von 4 gezeigt ist. Ob der Prozessmodus
nun subkritisch oder transkritisch ist, wird unter anderem von der
Umgebungstemperatur bestimmt.
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In 4 haben die Bezugszeichen
dieselbe Bedeutung wie in 3.
In dem hier dargestellten Prozess befindet sich Punkt 1 an
der Sättigungslinie zwischen
dem Dampf- und dem Nassdampfzustand. Von Punkt 1 zu Punkt 2 wird
das Kühlmittel
durch Beaufschlagung mit der Energie Wv kondensiert; eine isentropische
Kondensation mit Beaufschlagung mit der Energie Wvis ist
hier auch durch die unterbrochenen Linien angegeben. Am Punkt 2 befindet
sich das Kühlmittel
im superkritischen Bereich, in dem es bleibt, wenn es durch den
Gaskondensator 12 fließt und
eine isobarische Zustandsveränderung
durchmacht, bis es Punkt 3 erreicht, wobei die Energie
Qc frei wird. Von Punkt 3 zu Punkt 4 wird
das Kühlmittel in
den Nassdampfbereich im Zahnradmechanismus 14 dekomprimiert,
wobei die Energie WEx frei wird. WExis symbolisiert die Energie, die mit einer
isotropischen Expansion erzielt würde. Von Punkt 4 zu
Punkt 1 durchläuft
das Kühlmittel
den Verdampfer, in dem es Energie aufnimmt.
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Da
die schräge
Zahnanordnung axiale Kräfte auf
die Wellenenden 36 der Zahnräder 20, 22 und
die (nicht gezeigten) Lager wirken lässt, sind in der in 5 gezeigten Ausführungsform
mehrere Zahnräder
in axialer Folge so angeordnet, dass sie die axialen Kräfte kompensieren
können.
Die Zahnräder 38, 40 sind
mit den Zahnrädern 20 bzw. 22 gekoppelt, und
jedes weist Zähne
auf, die in einer Richtung geneigt sind, die derjenigen der Zähne im angekoppelten
Zahnrad 20 bzw. 22 entgegengesetzt ist. Darüber hinaus
sind in der Ausführungsform
nach 5 zwei Einlässe 28 und
zwei Auslässe 30 vorgesehen.
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Vorzugsweise
wird die in der Expansionsmaschine erhaltene Energie zum Antreiben
eines Vorkompressors für
das Kühlmittel
eingesetzt, und zu diesem Zweck ist die Expansionsmaschine mit einem geeigneten
Vorkompressor gekoppelt. Der vorgeschlagene Vorkompressor ist ein
Kompressor, bei dem das Druckverhältnis nicht oder nur zum Teil durch
die Konstruktion vorgegeben ist. Vorzugsweise dient ein Booster-Kompressor
als Vorkompressor. Als mögliche
Variante kann ein Flügelzellenkompressor
in Erwägung
gezogen werden. Wird der vorgeschlagene Vorkompressor verwendet,
können
die Abmessungen des im Kühlzyklus
befindlichen Kompressors beträchtlich
kleiner ausgelegt werden. Vorzugsweise wird der Vorkompressor als
eine Maschineneinheit innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses mit
der Expansionsmaschine gekoppelt. Auf diese Weise kann eine hermetisch
geschlossene Einheit ohne Öffnungen,
durch die Wellen vorspringen, hergestellt werden, wobei der Vorkompressor
dadurch betätigt
werden kann, dass seine Welle mit der Welle eines der beiden schräg gezahnten
Zahnräder
gekoppelt wird.